Design and characterization of CMOS active pixels with a tunable color space

Digital imaging is moving toward the development of ”smart” pixels, capable of adapting their response to the scene, in terms of dynamic range (intensity) and chromatic performances, and to measure other spectral properties. A recently proposed CMOS color-sensitive pixel for digital imaging applications, the Transverse Field Detector, presents characteristics that respond to these new criteria. It is a CMOS filter-less pixel whose color space can be tuned by changing the anodes biasing scheme. Its tunability allows to acquire images with a number of spectral filters greater than three. This dissertation addresses the simulation and optimal design of the TFD in a new technology, focused on the maximization of its spectral tunability. Color imaging fundamentals are discussed in the first place, with particular attention to errors in color reconstruction and to the difference between the spectral reflectance of a surface and its apparent color, which is not an intrinsic property, but depends also on the illuminant. The design was oriented for two applications of the TFD tunability: the first to improve color accuracy, and the second to measure objects spectral reflectance. For this purpose, the pixel illumination window has been optimized by means of simulations, finding a trade-off between Fill Factor , tunability and systematic precision in color reconstruction. The VLSI design of passive pixels and active pixels is described. Due to the additional requirement of the TFD , with respect to standard CMOS sensors, to maintain a constant anode potential during the integration time, a new active pixel topology has been designed. The devices have been characterized, solving some of the problem encoutered in the last design, and obtaining results in line with the expectations, proving the suitability of the detector for both RGB image acquisition and multi-band acquisitions.

La ricerca nel campo dell’imaging digitale si sta pian piano indirizzando verso lo sviluppo di pixel ”intelligenti”, capaci di adattare la loro risposta alla scena, in termini di range dinamico (intensità) e resa cromatica, e di misurarne anche altre proprietà spettrali. Il Transverse Field Detector (TFD), un innovativo pixel per sensori di immagine digitale in tecnologia CMOS, proposto di recente al Politecnico di Milano, presenta caratteristiche tali da rispondere a tali criteri. Oltre a permettere un acquisizione diretta del colore in ogni punto dell’immagine, eliminando i problemi legati agli algoritmi di demosaicing, ha uno spazio colore che può essere ”accordato” semplicemente cambiando le tesioni agli anodi. Tale ”accordabilità” può essere sfruttata per acquisire immagini con un numero di bande spettrali maggiore di tre. Questa tesi descrive la simulazione e il design del TFD in una nuova tecnologia, con l’obiettivo di massimizzare la sua ”tunability” spettrale e di realizzare mini-matrici attive di 2 × 2 pixels. In una prima parte vengono discusse le basi dell’aqcuisizione del colore, ponendo particolare attenzione alle problematiche legate alla ricostruzione del colore e alla differenza tra la riflettanza spettrale di una superficie ed il suo colore apparente, che non è una proprietà intrinseca dell’oggeto, bensì dipendente dall’illuminante. Il design è stato orientato a due applicazioni del TFD, la prima permette di migliorare l’accuratezza nella riconstruzione del colore, la seconda di misurare la riflettanza spettrale di un oggetto. A tali scopi, la finestra di illuminazione del pixel è stata ottimizzata, trovando un buon compromesso tra Fill Factor, tunability e precisione sistematica nella ricostruzione del colore. Diverse geometrie di pixel passivi e mini-matrici attive sono state disegnate in Cadence. Inoltre è stato dimensionato e disegnato un nuovo tipo di pixel attivo, che risponde al requisito (per un corretto funzionamento del TFD) di mantenere il potenziale agli anodi fisso durante il tempo di integrazione. I dispositivi sono stati caratterizzati, risolvendo alcuni problemi che affioravano ottenendo nel design precedente, ottenendo risultati in linea con le attese, e dimostrando le potenzialità del TFD sia in modalità RGB standard, che per acquisiszione multibanda.